(57)【要約】【課題】  遮光膜の開口幅が小さくなった場合の透過光量を改善することで、感度の大幅な改善を実現する小型の固体撮像装置を提供する。【解決手段】  複数の光電変換部１７が形成された半導体基板１１と、光電変換部１７上方に位置し、光電変換部１７毎に設けられた複数の開口部２０を有し、半導体基板１１上に形成された遮光膜１９と、開口部２０内に形成された高屈折率層１２５とを備え、開口部２０は、光電変換部１７に入射する光の真空中の波長に換算した最大波長よりも小さい開口幅を有し、高屈折率層１２５は、開口部２０を介して最大波長の光を透過させる屈折率を有する高屈折率材料から構成される。【選択図】        図１
2006344754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された光電変換部と、
前記光電変換部上方に位置するように形成された開口部が設けられ、前記半導体基板上に設置された遮光膜と、
前記開口部内に形成された高屈折率層とを備え、
前記開口部は、前記開口部を介して前記光電変換部に入射する光の真空中の波長に換算した最大波長よりも小さい開口幅を有し、
前記高屈折率層は、前記開口部を介して前記光電変換部に入射する光の前記最大波長の光を透過させる屈折率を有する高屈折率材料から構成される
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記開口部内には、前記高屈折率層が充填されている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記高屈折率層は、１．８以上の屈折率を有する高屈折率材料から構成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記高屈折率層の厚みは、前記遮光膜の厚みと略同一、又は前記遮光膜の厚みよりも厚い
ことを特徴する請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記高屈折率層は、凸レンズ形状を有し、前記開口部を介して前記光電変換部に入射する光を集める
ことを特徴する請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記高屈折率材料が、酸化チタン、酸化タンタル及び酸化ニオブのいずれかである
ことを特徴する請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記開口幅は、１．０μｍ以下である
ことを特徴する請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記固体撮像装置は、さらに、前記開口部上方に位置するように前記遮光膜上に設置され、特定の波長域の光を透過させるフィルタ膜を備え、
前記開口部は、前記フィルタ膜が透過させる光の前記最大波長よりも小さい開口幅を有する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
ことを特徴とするカメラ。
【請求項１０】
光電変換部が形成された半導体基板上に遮光膜を形成し、前記遮光膜に、前記光電変換部上方に位置する開口部を形成する開口部形成工程と、
前記開口部内及び前記遮光膜上に高屈折率層を形成する高屈折率層形成工程とを含み、
前記高屈折率層形成工程において、前記高屈折率層の表面が平坦になる膜厚の前記高屈折率層を形成する
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項１１】
前記高屈折率層形成工程において、前記開口部の幅の１／２以上の膜厚の前記高屈折率層を形成する
ことを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１２】
前記固体撮像装置の製造方法は、さらに、前記高屈折率層の表面を平坦化する平坦化工程を含む
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１３】
前記固体撮像装置の製造方法は、さらに、前記開口部上方に位置する前記高屈折率層を凸レンズ形状に加工するレンズ形成工程を含む
ことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置を構成する受光セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な固体撮像装置では、半導体基板上に複数の受光セルが形成され、各受光セルは遮光膜の開口部を通して入射した光を光電変換する光電変換部と遮光膜上に形成された色分離を行うカラーフィルタとを備える構造を有している。カラーフィルタとしては原色フィルタ、もしくは補色フィルタが一般的である。原色フィルタでは赤（Ｒ）、青（Ｂ）、及び緑（Ｇ）が用いられ、補色フィルタでは赤の補色であるシアン（Ｃ）、緑の補色であるマゼンタ（Ｍ）、及び青の補色である黄（Ｙ）が用いられる。一般的に補色フィルタを用いた固体撮像装置では、この３色と緑（Ｇ）とを通して得た信号が用いられている。そして、各受光セルに上記の色のいずれかが一定のパターンで割り当てられる。そうすることで、各受光セルは、カラーフィルタによって色分離された色信号の輝度に応じて信号を生成する。（例えば、特許文献１、２参照。）
また、上記の信号を大きくして高感度を実現するために、カラーフィルタの上下にマイクロレンズ等を形成することで、高Ｓ／Ｎ化が図られている。（例えば、特許文献３参照。）
また、高感度化を図る手段として、遮光膜の開口部内において、高屈折率材料と、高屈折率材料の周辺を囲むように形成された低屈折率材料とを置き、高屈折率材料と低屈折率材料との境界での全反射を用いて集光する方法の提案等がある。（例えば、特許文献４参照。）
図７に従来の固体撮像装置の受光セル１ａ、１ｂ、１ｃの断面図を示す。
【０００３】
各受光セルは、Ｎ型不純物が添加されたシリコンからなる半導体基板１１を基礎として、絶縁層１３、金属層１４、及びカラーフィルタ層１５が形成されてなる。このとき、半導体基板１１内には光電変換層１２が形成されている。光電変換層１２は、半導体基板１１にＰ型不純物をイオン注入することでＰ型ウェル１６を形成し、さらに、Ｐ型ウェル１６にＮ型不純物をイオン注入することで形成されるＮ型領域である光電変換部１７を有する層である。
【０００４】
絶縁層１３は、光電変換層１２と金属層１４とを絶縁するために光電変換層１２上に設けられた層間膜１８からなる層である。
【０００５】
金属層１４は、遮光膜１９と層内レンズ３０とを含む層である。金属層１４の形成においては、遮光膜１９が形成された後に、遮光膜１９上に平坦化層としての層間膜２９が形成される。さらに遮光膜１９の上の層間膜２９が形成された後に、層内レンズ３０が形成される。層内レンズ３０上には、層内レンズ３０表面を覆うように層間膜３１が形成される。
【０００６】
カラーフィルタ層１５は、青のフィルタ膜２１ａ、緑のフィルタ膜２１ｂ、及び赤のフィルタ膜２１ｃからなるカラーフィルタと、カラーフィルタ上の層間膜２２とを有する層である。
【０００７】
入射光２４は、受光セル１ａ、１ｂ、１ｃ上方から入射し、カラーフィルタ上に形成されたマイクロレンズ２３により集光され、青のフィルタ膜２１ａ、緑のフィルタ膜２１ｂ、あるいは赤のフィルタ膜２１ｃを透過する。カラーフィルタを透過した光は再度層内レンズ３０により集光された後に、開口部２０を経て、光電変換部１７に到達する。受光セル１ａ、１ｂ、１ｃが従来のように一辺が５．６μｍの正方形をした大きな受光セルである場合には、開口部２０の幅が２．０μｍ以上と大きい。従って、例えば長波長側の６５０ｎｍの赤色波長の可視光等は、開口部の幅の影響を受けることなく十分に開口部を透過することができる。また、暗視野カメラ等に利用される長波長側の近赤外波長の光も十分に開口部を透過することができる。
【特許文献１】特開平１０−３４１０１２号公報
【特許文献２】特開平５−３２６９０２号公報
【特許文献３】特開２０００−１６４８３７号公報
【特許文献４】特開平６−２２４３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、固体撮像装置の高画素化を実現するために受光セルが微細化されて小さくなると、遮光膜の開口部の幅が赤（Ｒ）色光、緑（Ｇ）色光、及び青（Ｂ）色光等の可視光の波長に近づく。そして、遮光膜の開口部の幅が可視光の波長よりも小さくなった場合には、カラーフィルタを透過した光の波長の中で、開口部の幅によって決定される特定の波長以上の波長帯域の光が遮断されて、その遮断波長以上の波長の光が開口部を透過できなくなり、光電変換部まで到達できなくなる。この場合には、特に、長波長側の赤（Ｒ）色光の透過率の低下が顕著になる。例えば、真空中で６５０ｎｍの赤色波長の光が狭い開口部を透過する場合には、真空中で６５０ｎｍの波長の光は、屈折率が１．４５のシリコン酸化膜（ＳiＯ2）で充填されている開口部中では波長を屈折率で割った値の波長（６５０ｎｍ／１．４５＝４５０ｎｍ）の４５０ｎｍを有する。よって、この真空中で６５０ｎｍの波長の光の透過率は、開口部の幅がほぼ４５０ｎｍでほぼゼロになるが、実際には、開口幅６５０ｎｍ付近から減少し始める。従って、開口部を充填する材料がシリコン酸化膜（ＳiＯ2）等の低屈折率材料の場合には、開口部の幅とほぼ同等以上の波長の光が透過できなくなる。
【０００９】
特に受光セルが一辺３．２μｍ以下の正方形をした小型の受光セルである場合には、開口部の幅が１．０μｍ以下になってくる。このような狭い開口部の幅では、長波長である赤色波長の可視光や、１．０〜２．０μｍの近赤外光等の長波長側の波長の光は、開口部を充填する平坦化層が低屈折率材料から構成される場合には、特に透過できなくなる。例えば、開口部を充填する平坦化層が屈折率１．５の低屈折率なシリコン酸化膜（ＳiＯ2）や、屈折率１．３〜１．７の低屈折率樹脂等から構成される場合には、長波長の光は開口部を透過できなくなる。
【００１０】
そこで、本発明は、遮光膜の開口幅が小さくなった場合の透過光量を改善することで、感度の大幅な改善を可能にする小型の固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された光電変換部と、前記光電変換部上方に位置するように形成された開口部が設けられ、前記半導体基板上に設置された遮光膜と、前記開口部内に形成された高屈折率層とを備え、前記開口部は、前記開口部を介して前記光電変換部に入射する光の真空中の波長に換算した最大波長よりも小さい開口幅を有し、前記高屈折率層は、前記開口部を介して前記光電変換部に入射する光の前記最大波長の光を透過させる屈折率を有する高屈折率材料から構成されることを特徴とする。ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記開口部上方に位置するように前記遮光膜上に設置され、特定の波長域の光を透過させるフィルタ膜を備え、前記開口部は、前記フィルタ膜が透過させる光の前記最大波長よりも小さい開口幅を有してもよい。
【００１２】
本発明に係る固体撮像装置では、開口部内を通過する光の波長が真空中における波長を屈折率で割った値（真空中の波長／（屈折率＝Ｎ））になる原理を利用して、開口部を高屈折率材料で充填することで、開口部中を透過する光の波長を相対的に小さくしている。従って、開口部の中を透過する光の透過波長帯域の最大波長は、開口部内の屈折率がＮの場合には、真空中の波長に換算すると、開口部を充填した高屈折率材料の屈折率倍（Ｎ倍）だけ大きくなる。その結果、開口部の幅が狭くなり、開口部の幅が透過すべき光の真空中における波長と同等または、それ以下になった場合であっても、開口部を高屈折率材料で充填することで光を透過させることができる。すなわち、長波長側の光の感度を大幅に向上させ、感度の大幅な改善を可能する小型の固体撮像装置を実現することができる。
【００１３】
また、上記目的を達成するために前記開口部内には、前記高屈折率層が充填されていてもよい。
【００１４】
上記構成とすることで、開口部内の全域に亘って高屈折率材料が充填され、開口部内全体の平均的な屈折率を大きくすることができるため、開口部の中を透過する光の真空中の透過波長帯域を長波長側に大きくシフトすることができ、長波長側の光の感度をさらに向上させることができる。
【００１５】
また、特許文献４に示される、開口部内において高屈折率材料の周辺を囲むように低屈折率材料を置き、高屈折率材料と低屈折率材料との境界での全反射を用いて集光する方法の場合には、開口部内に低屈折率材料を積極的に導入する必要があるため、開口部内における高屈折率材料の幅は、開口部の幅から開口部内における低屈折率材料の幅を引いた値となる。従って、この事例の場合の実質的な透過できる光の波長は、開口部の幅より必ず小さい高屈折率材料の幅によって決まってしまうこととなる。そのため、実質的な開口幅が小さくなり、長波長側の透過波長の光が制限を受けてしまい、感度の向上には不利な状態となる。しかしながら、上記構成とすることで、開口部の幅が開口部内における高屈折率材料の幅となり、実質的な開口幅を大きくすることができるので、長波長側の透過波長の光が制限を受けず、感度の向上を実現することができる。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、前記高屈折率層は、１．８以上の屈折率を有する高屈折率材料から構成されてもよい。
【００１７】
上記構成のように、開口部を充填する高屈折率層を構成する材料として屈折率が１．８以上の高屈折率材料を利用することで、開口部の幅が１．０μｍ以下になった場合でも、可視光での長波長の赤色近傍の波長の光や、１．０〜２．０μｍの近赤外光等の長波長側の波長の光を透過させることができる。
【００１８】
また、上記目的を達成するために、前記高屈折率層の厚みは、前記遮光膜の厚みと略同一、又は前記遮光膜の厚みよりも厚くてもよい。
【００１９】
上記構成とすることで、開口部内の屈折率の高い材料の厚みを開口部の高さ方向の厚みと同等か、それ以上にすることで、真空中の波長に換算した遮断波長を長波長側に大きくシフトすることができるため、開口部の中を透過する光の長波長側の透過波長帯域を広げることができ、長波長側の感度を向上させることができる。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、前記高屈折率層は、凸レンズ形状を有し、前記開口部を介して前記光電変換部に入射する光を集めてもよい。
【００２１】
上記構成とすることで、開口部内の光を透過させる高屈折率材料の上面が凸レンズ形状となり、開口部の直上で集光することができるので、開口部の幅が可視光の波長に近い場合に、特に集光率を大幅に向上させることができる。
【００２２】
また、受光セルが微細化されて横方向にセルピッチが縮小した場合であっても、図７と特許文献３とに示されるように、層内レンズや層内レンズ上下の層間膜は従来通りに必要なため、遮光膜上の縦方向の寸法が従来と変わらない。従って、横方向にセルピッチが縮小したにもかかわらず、縦方向の寸法が縮小できないため、狭い開口部へ集光することが難しくなり、集光効率が極端に悪くなる。しかしながら、上記構成とすることで、従来の固体撮像装置の構造では必要であった、遮光膜上方の層内レンズを省略することができ、受光セル全体の高さを低くすることができるので、上記のような問題が起こらない。
【００２３】
また、上記目的を達成するために、前記高屈折率材料が、酸化チタン、酸化タンタル及び酸化ニオブのいずれかであってもよい。
【００２４】
上記構成のような、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ又は酸化ハフニウム等の高屈折率材料を高屈折率層に用いることで、一般的に絶縁膜としてよく利用されている屈折率１．５の酸化シリコンの場合に比べて開口部内の屈折率を特に大きくとることができ、真空中の波長に換算した開口部の中を透過する光の透過波長帯域を長波長側に大きくシフトさせることができるため、長波長側の感度を更に向上させることができる。
【００２５】
また、上記目的を達成するために、前記開口幅は、１．０μｍ以下であってもよい。
【００２６】
上記構成とすることで、光電変換部を構成するシリコンの主な吸収帯域である１．０μｍ以下の帯域で、開口部の中を透過する光の透過波長帯域を長波長側に広げる効果が大きくなるので、顕著な感度の向上を実現することができる。
【００２７】
以上のように、本発明の固体撮像装置では感度を犠牲にすること無く微細な受光セルを実現することができ、撮像部の特定の光学サイズ（例えば１／４インチなど）での画素数を増やすことができるため、本発明の固体撮像装置を利用したカメラでは、高感度かつ高画素を持つ高画質なカメラを実現することができる。
【００２８】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、光電変換部が形成された半導体基板上に遮光膜を形成し、前記遮光膜に、前記光電変換部上方に位置する開口部を形成する開口部形成工程と、前記開口部内及び前記遮光膜上に高屈折率層を形成する高屈折率層形成工程とを含み、前記高屈折率層形成工程において、前記高屈折率層の表面が平坦になる膜厚の前記高屈折率層を形成することを特徴とする。ここで、前記高屈折率層形成工程において、前記開口部の幅の１／２以上の膜厚の前記高屈折率層を形成してもよい。
【００２９】
上記構成とすることで、開口部の中に屈折率の高い高屈折率層を形成し、さらに開口部内の高屈折率層上に屈折率の高い高屈折率層を連続して形成することで、開口部上方を屈折率の高い高屈折率層で平坦化することができるため、開口部に入射する光を乱反射させることなく開口部に入射させることができ、感度の低下を防ぐことができる。
【００３０】
また、上記目的を達成するために、前記固体撮像装置の製造方法は、さらに、前記高屈折率層の表面を平坦化する平坦化工程を含んでもよい。
【００３１】
上記構成とすることで、開口部の中に屈折率の高い高屈折率層を形成し、さらに開口部内の高屈折率層上に屈折率の高い高屈折率層を連続して形成した後に、屈折率の高い高屈折率層をＣＭＰ等により平坦化エッチングするので、開口部上方の高屈折率層の平坦度を高め、開口部に入射する光の乱反射を最小化することができる。その結果、開口部に入射できる光量の受光セル間のバラツキを最小化することができ、感度バラツキを大きく改善することができる。
【００３２】
また、上記目的を達成するために、前記固体撮像装置の製造方法は、さらに、前記開口部上方に位置する前記高屈折率層を凸レンズ形状に加工するレンズ形成工程を含んでもよい。
【００３３】
上記構成とすることで、開口部の中に屈折率の高い高屈折率層を形成し、さらに開口部内の高屈折率層上に屈折率の高い高屈折率層を連続して形成した後に、屈折率の高い高屈折率層を用いて層内レンズを形成するので、従来の層内レンズ用に必要であった特別な成膜工程を削除し、固体撮像装置を製造する工程を削減することができる。その結果、低価格な固体撮像装置を提供することができる。また、層内レンズが遮光膜の直前にあるため、開口部の幅が小さい場合であっても、効率良く集光ができ、高感度化を実現することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係る固体撮像装置は、光電変換部上に形成された遮光膜の開口部に屈折率の高い高屈折率材料を用いることで開口部の幅が狭くなった場合にでも、開口部を透過する光の透過波長帯域を大きく保つことができる。これにより、固体撮像装置の受光セルが小さくなり、開口部が小さくなった場合にでも、長波長側での顕著な感度低下を防ぐことができ、小型化及び高感度化を実現することができる。さらに、開口部を埋める高屈折率材料を開口部上方にも連続して形成して平坦化することで、開口部上方での光の乱反射を少なくでき、感度低下を防ぐと同時に受光セル間の感度のバラツキを抑えて高画質化を実現できる。また、開口部を埋める高屈折率材料を開口部上にも連続して形成した後に、その高屈折率材料を用いてマイクロレンズを形成することで高感度・高Ｓ／Ｎの固体撮像装置を実現できるため、高画質なカメラを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態における固体撮像装置について図面に基づいて説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００３６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の固体撮像装置の受光セル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの断面図である。各受光セルの半導体基板１１、光電変換層１２、及び絶縁層１３は、図７に示す従来の受光セルにおける構造と同じ構造を有する。
【００３７】
金属層１１４は、従来の固体撮像装置と同様に遮光膜１９と層内レンズ３０とを含む層であるが、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置では、金属層１１４は、遮光膜１９が形成された後に、遮光膜１９の開口部２０を埋めむように形成され、高屈折率材料により構成された高屈折率層１２５を有する。このとき、従来の受光セルの構造と同じように、遮光膜１９の上方には層間膜２９及び層内レンズ３０が形成されており、層内レンズ３０上には層間膜３１が形成されている。また、金属層１１４上には層間膜２２を含むカラーフィルタ層１５が形成され、カラーフィルタ層１５上にはマイクロレンズ２３が形成されている。
【００３８】
本実施の形態１の固体撮像装置では、マイクロレンズ２３により集光され、カラーフィルタ層１５を透過した光は、再度層内レンズ３０により集光された後に、高屈折率層１２５が形成された開口部２０を経て、光電変換部１７に到達する。
【００３９】
ここで、開口部２０は、光電変換部１７に入射する光の真空中の波長に換算した最大波長よりも小さい開口幅を有する。すなわち、真空中の赤（Ｒ）色光の最大波長よりも小さい開口幅を有する。また、高屈折率材料は、開口部２０を介して光電変換部１７に入射する光の真空中の波長に換算した最大波長の光を透過させる屈折率を有する。すなわち、開口部２０を介して光電変換部１７に入射する赤（Ｒ）色光を透過させる屈折率を有する。
【００４０】
図２はカラーフィルタ層１５及び開口部２０の透過特性を示す図である。
【００４１】
開口部に入射する光のうちで開口部２０の幅に近い波長以上の波長の光は、開口部２０を透過でき難くなり遮断されることは良く知られている。開口部２０の幅が広い場合（例えば２μｍ以上の場合）には、開口部２０の幅が広いため、遮断波長１０１は、赤色の分光よりもはるかに長波長側にある。よって、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）の分光のカラーフィルタを透過した光は、それぞれ開口部２０を透過することができる。しかしながら、受光セル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの微細化により、開口部２０の幅が狭くなった場合では、開口部２０の幅が狭いため、遮断波長１０２は、赤（Ｒ）のフィルタ膜２１ｃの透過波長以下になる。その結果、赤（Ｒ）のフィルタ膜２１ｃの下の開口部２０では、赤色光の透過率が極端に小さくなり、光電変換部１７まで到達できる光量が減少して、感度低下を起こしてしまう可能性がある。本発明に係る固体撮像装置では、この不具合を解消するために、開口部２０内に高屈折率層１２５が形成されている。開口部２０内に高屈折率層１２５を用いることで、開口部２０の中を透過する光の波長を、真空中の波長に対して屈折率分の１（１／（屈折率＝Ｎ））と小さくすることができる。例えば、高屈折率層１２５として屈折率２．５の酸化チタン（ＴｉＯ2）を用いる場合には、開口部２０の中を透過する光の波長は、真空中の波長に対して１／２．５の波長となり、真空中で６５０ｎｍの赤色光の波長は、開口部２０の中で２６０ｎｍの波長になる。従って、例えば６５０nｍの開口幅を持つ開口部２０の中では、真空中で６５０ｎｍの赤色光の波長は波長２６０ｎｍとなる。その結果、開口部２０中の赤色光の波長２６０ｎｍ（真空中で６５０ｎｍ）は、開口幅６５０ｎｍに対して、かなり小さくなり、赤色光は十分開口部２０を透過することができる。
【００４２】
遮断波長を考える場合、開口部２０内の屈折率が１であり、例えば遮断波長が真空中の波長に換算して６５０ｎｍの開口幅である開口部２０の遮断波長は、開口部２０内を高屈折率２．５の酸化チタン（ＴｉＯ2）で埋め込んで開口部２０内の屈折率を２．５とすることで、真空中の遮断波長に換算して６５０ｎｍの２．５倍の１６２５ｎｍとなる。従って、開口部２０内を屈折率＝Ｎの高屈折率材料で充填することで、開口部２０を透過できる真空中の遮断波長をＮ倍広くとることができ、開口幅が狭くなった場合にでも図２に示すように遮断波長１０３を可視光より大きくすることができる。すなわち、開口部２０の幅が小さくなった場合でも、開口部２０内を充填する材料として屈折率の高い材料を用いることで、遮断波長を長波長側にシフトさせることができるため、長波長側の透過帯域を広くとることができ、長波長側の感度を向上させることができる。
【００４３】
なお、以上で述べた開口部２０内にある高屈折率材料の幅を開口部２０の幅と同一にすることで、最も大きな遮断波長を実現することができる。
【００４４】
また、上記の高屈折率層１２５を構成する高屈折率材料として屈折率２．５の酸化チタンを例示した。しかし、開口部２０内の屈折率を１．８以上にすることで、開口部２０の幅が１．０μｍ以下になった場合でも、可視光での長波長の赤色近傍の波長の光や、１．０〜２．０μｍの近赤外光等の長波長側の波長の光を透過させることができるため、開口部２０内を充填する高屈折率材料は、１．８以上、特に２．２以上の屈折率を有する高屈折率材料であれば酸化チタンに限られない。
【００４５】
また、図１に示す高屈折率材料の厚み２８は、遮光膜１９の厚みつまり開口部２０の厚み２７と略同一又は開口部２０の厚み２７より大きく、開口部２０は高屈折率材料で埋め尽くされている。これによって、真空中の波長に換算した開口部２０の遮断波長を長波長側に最も大きくシフトさせることができるため、長波長側の透過帯域を広くとることができ、長波長側の感度を向上させることができる。
【００４６】
また、開口部２０内を充填する高屈折率材料として窒化シリコン、酸化チタン、酸化タンタル又は酸化ニオブ等を利用することで、一般的に絶縁膜としてよく利用されている酸化シリコンの屈折率(約１．５)に比べて屈折率を特に大きくとることができ、真空中の波長に換算した開口部２０の遮断波長を長波長側に最も大きくシフトさせることができるため、長波長側の透過帯域を広くとることができ、長波長側の感度を更に向上させることができる。
【００４７】
また、本実施の形態１の固体撮像装置では入射光として可視光を例示したが、近赤外光の波長に対しても、同様の効果が認められるため、シリコンが光電変換できる近赤外光の波長に相当する１．０μｍ以下の帯域の光に対しても、波長の透過帯域を長波長側に広げる効果が大きく、顕著な感度の向上を実現することができる。
【００４８】
図３は本発明の実施の形態１の固体撮像装置の受光セル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃにおける遮光膜１９上の構造の形成方法を示す断面図である。図３は、実施の形態１の固体撮像装置の受光セル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃにおける開口部２０の形成工程から遮光膜１９の上方の層間膜２９の形成工程までを示している。
【００４９】
この形成方法では、まず遮光膜１９上にパターニングされたレジストを形成する。すなわち、遮光膜１９上にレジストを形成し、開口部２０を形成する領域のレジストを除去する。その後、ドライエッチ技術によりレジストをマスクとして遮光膜１９の一部を除去し、光電変換部１７上方に位置する開口部２０を形成する第１工程（図３（ａ））を行う。
【００５０】
次に、光を透過させる高屈折率層１２５を開口部２０内及び遮光膜１９上に形成する第２工程（図３（ｂ））と、高屈折率層１２５を開口部２０内及び遮光膜１９上にさらに形成する第３工程（図３（ｃ））とを連続して行う。このように、第２工程と第３工程とを連続して行うことで開口部２０上の高屈折率層１２５を高屈折率層１２５自体で平坦化する工程を行うことができる。
【００５１】
最後に、高屈折率層１２５よりも屈折率の小さい遮光膜１９の上方に層間膜２９を形成する第４工程（図３（ｄ））を行う。
【００５２】
以上の第１〜第４工程を行うことにより、実施の形態１の固体撮像装置の受光セル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃにおける遮光膜１９上の構造を形成することができる。本発明の固体撮像装置のように、特に開口部２０の幅が狭いときには、開口部２０を高屈折率材料で埋める第２工程の後に、引き続き高屈折率材料を形成していくと、開口部２０の部分に凹型を形成していた高屈折率材料は、膜厚が厚くなるに従い凹部の幅が狭くなり、最終的に凹部の左右の側壁が接触して、表面が平坦な構造の高屈折率層１２５を作ることができる。このとき、高屈折率材料が遮光膜１９の平面と側面とに均等に付く場合には、高屈折率層１２５の膜厚を開口部２０の幅（ｄ）の１／２以上にすることで、凹部を平坦にすることができる。高屈折率層１２５が平坦化されているため、高屈折率層１２５上にある遮光膜１９の上方の層間膜２９の表面を平坦に形成でき、層間膜２９をＣＭＰ（chemical mechanical polishing）等により平坦化する工程をなくす、または、ＣＭＰ等の平坦化量、時間を少なくすることができる。
【００５３】
この形成方法を、従来のような開口部２０の幅（ｄ）が大きい構造を有する固体撮像装置に適用する場合には、上記のような凹部を無くすための高屈折率層１２５の膜厚（ｄ／２）がかなり大きくなるため、上記形成方法により平坦化した場合の高屈折率層１２５の膜厚が大きくなり、集光が難しくなる課題が発生する。従って、この形成方法は、実用上、開口部２０の幅（ｄ）が１．５μｍ以下のような狭い開口部２０の場合に特に有効となる。
【００５４】
上記形成方法を利用する場合には、固体撮像装置の特性面では、開口部２０上の高屈折率層１２５を容易に平坦化することができるため、高屈折率層１２５と遮光膜１９の上方の層間膜２９との間の界面に凹凸が無くなり、界面において光を乱反射させることなく開口部２０に入射させることができ、感度低下を大幅に改善することができる。
【００５５】
図３の形成方法では、高屈折率層１２５を形成して表面を平坦化した直後に、遮光膜１９の上の層間膜２９を形成したが、高屈折率材料を形成する第３工程の後に、さらにＣＭＰ等による高屈折率層１２５の平坦化を実施する第５工程を追加してもよい。これにより、高屈折率層１２５と遮光膜１９の上方の層間膜２９との間の界面における光の乱反射をさらに低減することができ、感度低下を極端に改善することができる。また、各受光セルの開口部２０に入射する光量のバラツキを最小化することができ、感度バラツキも大きく改善することができる。
【００５６】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２の固体撮像装置の受光セル２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃの断面図を示す。各受光セルの半導体基板１１、光電変換層１２、及び絶縁層１３は、図７に示す従来の受光セルにおける構造と同じ構造を有する。
【００５７】
金属層２１４は、従来の固体撮像装置と同様に遮光膜１９を含む層であるが、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置では、金属層２１４は、遮光膜１９が形成された後に、遮光膜１９の開口部２０を埋めむように形成され、高屈折材料により構成された高屈折率層２２５を有する。このとき、高屈折率層２２５は凸型の層内レンズの形状に加工されている。これにより、従来の固体撮像装装置の構造では必要であった、遮光膜１９の上方の層間膜２９及び層内レンズ３０を省略することができ、受光セル全体の高さを低くすることができる。
【００５８】
本実施の形態２の固体撮像装置では、入射光２４は、マイクロレンズ２３及びカラーフィルタ層１５を透過し、従来の固体撮像装置の層内レンズ３０を透過することなく、直接、高屈折率層２２５で形成された層内レンズにより集光され、光電変換部１７に到達する。これにより、開口部２０内にある高屈折率層２２５が凸型の層内レンズ形状を有し、開口部２０の直上で集光することができるので、開口部２０の幅が可視光の波長に近い場合の時に、特に集光率を大幅に向上させることができる。
【００５９】
図５は本発明の実施の形態２の固体撮像装置の受光セル２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃにおける遮光膜１９上の構造の形成方法を示す断面図である。図５は、実施の形態２の固体撮像装置の受光セル２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃにおける開口部２０の製造工程から遮光膜１９の上の層間膜３１の形成工程までを示している。
【００６０】
この製造方法では、図３に示す実施の形態１における固体撮像装置の形成方法と同様の方法で高屈折率層２２５を形成する第１〜第３工程（図５（ａ）〜図５（ｃ））を行った後に、形成された高屈折率層２２５そのものを利用して層内レンズを形成する第４〜第７工程を追加して行い、その後に、遮光膜１９の上に層間膜３１を形成する第８工程を行っている。第４〜第８工程について以下に詳述する。
【００６１】
まず、高屈折率層２２５の上にレジスト３２を塗布する第４工程を行う（図５（ｄ））。
【００６２】
次に、レンズを形成しない領域のレジスト３２を残すように露光・現像を行う第５工程を行う（図５（ｅ））。
【００６３】
次に、残ったレジスト３２を加熱することによりレンズ状に整形する第６工程を行う（図５（ｆ））。
【００６４】
次に、レンズ形状のレジスト３２と高屈折率層２２５を均等にエッチングすることで、高屈折率層２２５による層内レンズを形成する第７工程を行う（図５（ｇ））。
【００６５】
最後に、遮光膜１９の上に層間膜３１を形成する第８工程を行う（図５（ｈ））。
【００６６】
以上のように、高屈折率層２２５を用いて層内レンズを形成する第４〜第７工程を行うことで、従来の層内レンズ用に必要であった特別な成膜工程を削除し、固体撮像装置を製造する工程を削減することができるので、低価格な固体撮像装置を提供することができる。また、層内レンズが遮光膜１９の直前にあるため、開口部２０の幅の小さい場合であっても、効率良く集光ができ、高感度化を実現することができる。
【００６７】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３の固体撮像装置の受光セル３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃの断面図である。
【００６８】
本実施の形態３の固体撮像装置は、絶縁層１３、金属層１１４、及びマイクロレンズ２３の屈折率が等しいという点で実施の形態１の固体撮像装置と異なる。例えば、一つの材料を用いて、絶縁層１３、金属層１１４、及びマイクロレンズ２３を構成することにより、それらの屈折率を等しくする。その結果、製造コストを抑えることができる。
【００６９】
以上、本発明の固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態の限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【００７０】
例えば、上記実施の形態の固体撮像装置を用いてカメラを構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、固体撮像装置等に利用でき、特にデジタルカメラやデジタルビデオカメラ等に用いられる固体撮像装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態１の固体撮像装置の受光セル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの断面図である。
【図２】カラーフィルタ層１５及び開口部２０の透過特性を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１の固体撮像装置の受光セル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃにおける遮光膜１９上の構造の形成方法を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２の固体撮像装置の受光セル２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃの断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２の固体撮像装置の受光セル２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃにおける遮光膜１９上の構造の形成方法を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３の固体撮像装置の受光セル３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃの断面図である。
【図７】従来の固体撮像装置の受光セル１ａ、１ｂ、１ｃの断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ    受光セル
１１    半導体基板
１２    光電変換層
１３    絶縁層
１４、１１４、２１４    金属層
１５    カラーフィルタ層
１６    Ｐ型ウェル
１７    光電変換部
１８、２２、２９、３１    層間膜
１９    遮光膜
２０    開口部
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ    フィルタ膜
２３    マイクロレンズ
２４    入射光
１２５、２２５    高屈折率層
２７    開口部の厚み
２８    高屈折率材料の厚み
３０    層内レンズ
３２    レジスト
【図１】
2006344754.tif 000003
【図２】
2006344754.tif 000004
【図３】
2006344754.tif 000005
【図４】
2006344754.tif 000006
【図５】
2006344754.tif 000007
【図６】
2006344754.tif 000008
【図７】
2006344754.tif 000009